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硅微通道板制备及其热电性能研究

慈朋亮  
【摘要】:经过半个多世纪的发展,硅作为一种最常见的半导体材料,早已渗透到电子、物理、化学、生物、材料等各个领域。近年来,随着微机械系统(MEMS)的不断进步,硅基结构材料得到了人们的广泛关注。作为一种硅基材料,它不但与现阶段成熟的集成电路(IC)工艺兼容,而且具备很多新颖的物理性质与化学性质,可用于制备高性能的传感器件与能源器件。本文从具有三维结构的硅微通道板的制备入手,进行了热电特性方面的研究工作。 首先,以多孔硅的形成原理为基础,开发出制备硅微通道板的一整套工艺流程。通过对光辅助电化学刻蚀平台的改进,以及对刻蚀液浓度、刻蚀电流密度、辅助光照、反应温度等刻蚀条件的优化,制备出表面形貌良好,高深宽比的硅微通道样品,最大深度甚至可以达到400μm。同时,选取适当的刻蚀条件可以使硅微通道层自动地从衬底剥离,这一点对于硅微通道板的后续应用来说极富实际价值。 传统体硅的热电性能较差,而具备三维结构的硅微通道板则具有相对较好的热电性能。通过对其热电性能的表征,证明孔径大小,通道厚度对硅微通道板的热电性能存在影响,而通道与竖直方向的夹角(7°)则没有对它产生明显影响。在此基础上,将硅微通道板用于温度传感,孔径5μm×5μm与3μm x 3μm的样品经过孔壁减薄后,在5℃到10℃的温度范围内,其温度灵敏度分别是1.88 mV/℃与0.93 mV/℃,线性度分别为0.998与0.997。同时也发现,两种样品的热电特性沿平面方向都显示出各向异性。可靠的性能,相对简单的结构以及与半导体工艺天然的兼容性,使得硅微通道板在工业、环境以及其它各领域的精确温度测量与监控方面具有广泛的应用前景。 为了改善硅微通道板的热电特性,我们对通道孔壁的硅层进行了氧化减薄处理。通过氧化不同的时间(从30分钟到70分钟)并将氧化层腐蚀掉,我们制备并测试了具有不同孔壁厚度的样品。结果表明,最终减薄后的样品其塞贝克系数可以提高到1219μV/K,热电性能得到一定的提高。此外,有鉴于硅微通道具有非常高的电阻率,利用硼扩散技术对其进行了不同浓度的掺杂。在掺杂后,采用四探针法表征,其电阻率由1.5 x 105Ω·cm降低到5.8 x 10-3Ω·cm,相应的塞贝克系数的绝对值仅由674μV/K降低到159μV/K。由二者可以计算出,经过不同浓度的掺杂后,功率因子的峰值为4.7 x10-1 mW m-1K-2。这说明硼掺杂对硅微通道板的热电特性具有显著的改善作用,为优化硅微通道板的热电性能提供了一个很好的思路,使之距离实用化更近了一步。 通过对硅微通道板进行硼掺杂和磷掺杂,制备出了P型与N型硅微通道板。随后,将P型与N型硅微通道板单臂通过铜片连接,构成简单的热电结。当由N型单臂流向P型单臂的电流值低于100 mA时,热电结上可以获得低于室温(25℃)的温度,最大差值约为1℃。由理论计算可得,此热电结室温下的本征优值为0.007,硅微通道板的热导率K=50Wm-1K-1,表明硅微通道板的多孔结构可以有效地降低热导率,为构建基于硅材料的制冷器件提供了有益的基础性工作。 硅的一些合金具有非常优异的热电性能。通过电镀的方法在硅微通道的表面与孔壁覆盖了一薄层金属铁,然后在700℃下经过退火工艺,使得硅与铁结合成β-FeSi2/硅微通道板。这种结构既具有β-FeSi2较好的高温热电性能,又有效地降低了材料的热导率。 综上所述,本课题采用光辅助电化学刻蚀方法制备的硅微通道板具有较好的热电性能,并具有很大的提升空间。相关的研究成果对新型传感器的制备,绿色能源的开发,以及新型制冷装置的研发具有一定的参考价值。


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